钢管混凝土拱桥建造技术：长细比对承载能力的影响

长细比对钢管混凝土构件承载能力的影响显著，计算钢管混凝土构件承载能力时，通常用长细比折减系数计入，并依据不同强度等级的钢材和混凝土以及长细比取定。《公路钢管混凝土拱桥设计规范》［4］、《特殊钢管混凝土构件设计规程》（CECS 408—2015）［5］、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》［6］、《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）［7］和《钢管混凝土结构技术规程》（CECS 28—2012）［8］中关于长细比折减系数（或整体稳定性系数）的计算方法均有所不同。下面将列出五种不同规范的计算方法，用于计算钢管混凝土长细比折减系数时的计算取值结果：

（1）《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中，对长细比折减系数以表格形式列出，构件长细比不超过100。

（2）《特殊钢管混凝土构件设计规程》中，对轴心受压构件稳定系数采用下列公式进行计算：

式中 ——构件的正则长细比，按下式进行计算：

λsc——构件的长细比，λsc＝L0／isc；

L0——构件的计算长度；

isc——构件的回转半径；

fsc——构件的抗压强度设计值；

Esc——构件的弹性模量；

εsc——构件的等效初始偏心率，；

K——等效初始弯曲系数，对于高强钢管混凝土，K 取fy为高强钢管抗压强度设计值，对其他构件，K 取0.25。

（3）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中，对整体稳定性系数以表格形式列出。当构件长细比小于7时，整体稳定性系数取1.0，见表2-30。

表2-30　钢筋混凝土的轴心受压构件的稳定系数

注：1.l0—构件计算长度；r—圆形截面半径。
2.当构件两端固定时，构件计算长度l0取0.5l；当一端固定一端为不移动的铰时，l0取0.7l；当两端均为不移动的铰时，l0取l；当一端固定一端自由时，l0取2l。l为构件两支点间距离。

（4）《公路钢结构桥梁设计规范》中，整体稳定折减系数采用下列公式进行计算：

≤0.2时，

χ＝1

＞0.2时，(www.xing528.com)

式中 ——相对长细比，按下式计算：

σE，cr——轴心受压构件弹性稳定欧拉应力；

λ——轴心受压构件长细比；

α——参数。

（5）《钢管混凝土结构技术规程》中，对于长细比折减系数的计算采用下列公式进行：

当Le／D＞4时，

当Le／D≤4时，

φl＝1

式中 D——钢管的外直径；

Le——构件的等效计算长度。

以上五部规范针对钢管混凝土构件长细比折减系数均有不同的规定，通过选取相同的材料参数（Q345钢材、C80混凝土）、截面尺寸（钢管采用600 mm 外径、16 mm 壁厚），计算得到各自的长细比折减系数，如图2-55所示。

图2-55　钢管混凝土长细比折减系数计算取值对比

通过对比以上五部规范，《钢管混凝土结构技术规程》须将Le／D 限定在80以下，否则其计算结果是奇异的。《特殊钢管混凝土构件设计规程》是在《公路钢结构桥梁设计规范》基础上，引入新的参数得到的，两者的走向趋势相同但前者的长细比折减系数更小。另外，《公路钢管混凝土拱桥设计规范》所规定的长细比折减系数计算方法，其计算结果比较适中，并且总体偏于安全。考虑到钢管混凝土拱桥设计与结构计算时一般采用“以折代曲”的形式，即拱圈按多段直线钢管混凝土杆件进行计算，拱圈整体或拱圈构件的几何非线性影响较大，所以在计算钢管混凝土拱桥的长细比折减系数时，推荐采用《公路钢管混凝土拱桥设计规范》。

长细比对钢管混凝土拱桥的承载能力的影响总体表现为长细比越大，承载能力越低。但是对于单肢、双肢、三肢和四肢截面形式的拱圈而言，长细比对其变形破坏形式又有所不同。双肢截面形式在没有面外约束的情况下，其面外刚度将低于面内刚度，致使变形以面外变形为主，面内变形相对较小；三肢和四肢截面形式的变形特征受长细比影响较大，对于长细比较小的情况，变形以局部变形为主，整体变形规律不明显，随着长细比的增加，变形的整体性越发显著。

因此单肢、双肢钢管混凝土拱圈，应注重横向稳定设计，特别是横撑构造设计对拱圈整体稳定的影响；三肢、四肢钢管混凝土拱圈应同时注重纵向、横向的整体稳定性设计和计算论证［9］。